近期，上海交通大學特種材料研究團隊利用機器學習技術開發(fā)了一種創(chuàng)新的設計方法，實現(xiàn)了在微觀尺度上對超結構復雜斷裂行為的空間編程。
通過模仿自然界中觀察到的材料宏微觀斷裂調(diào)控機制，不僅首次在超結構中實現(xiàn)可編程茹裂紋彎曲、裂紋偏轉、裂尖鈍化等自然界獨有的斷裂強化現(xiàn)象，還能針對指定的裂紋路徑進行編程設計。
研究顯示，與傳統(tǒng)超結構相比，這些結構在斷裂能量密度方面實現(xiàn)了高達 1235% 的顯著提升，這主要得益于裂尖相互作用、裂紋屏蔽、加固橋接以及這些機制的協(xié)同作用。
圖丨特種材料研究團隊（來源：王洪澤、吳一）
材料不可預測、災難性的斷裂是長期困擾多學科領域的重大難題，由于這項技術首次利用超結構解決了工程材料在服役過程中的斷裂預測與阻裂難題，其在材料、機械等多學科領域具有重要意義，并在多個工程領域展現(xiàn)出廣泛的應用前景。
具體來說，這項技術可廣泛應用于具有斷裂風險的材料與結構設計領域，例如家用汽車的沖擊防護、民用航空的結構安全，以及機器人抗沖擊構件設計等。
其核心價值在于，能夠實現(xiàn)復雜斷裂的精確預測、控制與基于應用場景的智能阻裂設計，不僅可通過斷裂強化大幅提升構件的阻裂特性，還可通過功能性斷裂引導與疏散以確保關鍵部位的安全性，這對于設計輕量可靠的斷裂可預測、可防護的新一代工程系統(tǒng)至關重要。
審稿人對該研究評價稱，“本研究提出了一種通過在元胞內(nèi)設計斷裂調(diào)控纖維的新穎方法，實現(xiàn)了斷裂可編程超結構與微觀尺度裂紋的可編程化設計。并且，所提出的超結構設計策略極具創(chuàng)新�！�
日前，相關論文以《實現(xiàn)自然阻裂機理的斷裂可編程超結構》（Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature）為題發(fā)表在 Nature Communications[1]。
該項工作由上海交大特種材料研究所與香港大學陸洋教授團隊、英國帝國理工大學明森阮（音譯，Minh-Son Pham）教授團隊合作完成。
上海交通大學博士生高振洋是第一作者，王洪澤副教授和吳一副教授擔任共同通訊作者，共同作者還包括上海交通大學王浩偉講席教授、夏存娟副教授和博士生張曉林。
圖丨相關論文（來源：Nature Communications）
“解碼”自然材料：可編程地設計超結構
超結構因其出色的輕質承載能力和獨特的力學特性，已成為航空發(fā)動機和空天結構等領域研究和應用的熱點方向之一。
然而，超結構在實際應用中普遍存在斷裂問題，成為限制其廣泛應用的關鍵障礙。
現(xiàn)有的人工材料幾乎無法控制裂紋的形成和擴展，這些隨機且不可控的裂紋往往會導致工程部件在斷裂過程中，產(chǎn)生災難性的后果。尤其是對于復雜的設計和精細構建的超結構而言，斷裂問題更加敏感和危險。
為解決這一挑戰(zhàn)，研究人員從超結構的源頭開始梳理。他們發(fā)現(xiàn)，超結構的設計靈感大多數(shù)來源于自然界的生物結構，其具有可控裂紋路徑并能增強材料對裂紋擴展的微結構，例如金屬的鍵合結構、陶瓷和人類骨骼的高度鏤空結構等。
并且，動物、植物以及在斷裂強化方面表現(xiàn)出色的自然材料，都采用了從微觀到宏觀的斷裂調(diào)控機制。
通過微觀結構中的精細幾何結構，在裂紋起始和發(fā)展過程中實現(xiàn)了高度控制，從而觸發(fā)斷裂強化機制。受此啟發(fā)，他們開始探索在超結構中實現(xiàn)類似的效果的可能性。
由于傳統(tǒng)的材料斷裂力學和斷裂強化理論體系尚在發(fā)展，很多理論還停留在經(jīng)驗總結階段，無法對新型超結構等復雜結構建立通用的斷裂預測模型，因而研究人員面臨計算量和推導難度高的雙重挑戰(zhàn)。
另一方面，以往研究通常依賴有限元模擬和有限元分析，來分析鏤空結構的斷裂，但這種方法需要大量的計算資源，在復雜結構的快速和準確預測存在局限性。
圖丨受自然啟發(fā)的超結構斷裂可編程設計體系（來源：Nature Communications）
基于此，研究人員提出，引用 AI 技術來深入探究如何控制超結構中的裂紋，并預測其裂紋發(fā)展的行為，進而研究并提出首個針對超結構的斷裂調(diào)控與強化的理論體系。
結果顯示，機器學習極大地提升了人們對超結構斷裂行為的理解和預測能力，它能夠在短短 1 秒鐘內(nèi)預測數(shù)千個元胞的不同斷裂方式。
王洪澤表示，這不僅揭示了超結構復雜的幾何設計與斷裂行為之間的聯(lián)系，而且使得超結構的巨量迭代與深度優(yōu)化成為可能，從而快速設計生成具有精準斷裂行為的新型復雜超結構。
通過裂紋控制機制精確控制裂紋的行為
這項研究歷時三年多時間，精準控制并預測超結構元胞的斷裂強化行為，在當時是一項極具挑戰(zhàn)的任務。
需要了解的是，元胞斷裂的模擬過程復雜而繁瑣，盡管可以直接從模擬中獲得力學曲線和斷裂信息，但斷裂角度的測量卻需要人工逐一完成。
在研究初期，由于不確定需要多少數(shù)據(jù)才能訓練出有效的機器學習模型，因此研究人員初步嘗試了 200 個元胞的數(shù)據(jù)，但效果并不理想。轉機出現(xiàn)在收集 500-600 個數(shù)據(jù)點的階段，模型的性能開始顯著提升。
高振洋表示：“初期的不順利讓我感到有些沮喪，但我決定無論如何都要將這項工進行到底�？吹侥Ｐ托阅茱@著提升時，我才感到心里有底了，好在當初沒有放棄�！�
最終，經(jīng)過 1000 多組斷裂測試并不斷輸入新數(shù)據(jù)，該模型實現(xiàn)了可靠且準確地預測其元胞的斷裂強化行為。
圖丨可編程超結構的功能性應用（來源：Nature Communications）
該研究首次建立了超結構斷裂強化理論和針對超結構在不同斷裂階段的裂紋控制機制，從而將自然界獨特的斷裂強化機制引入到超結構設計中。
例如，在裂紋的初始階段，研究人員發(fā)現(xiàn)，在超結構預編程的裂紋屏蔽機制可以顯著鈍化原本尖銳的裂紋尖端，從而大幅提升結構的抗斷裂性能。
隨著裂紋的進一步擴展，超結構的裂尖相互作用和加固橋接等機制開始發(fā)揮作用，對裂紋的后續(xù)發(fā)展產(chǎn)生重要影響。
有趣的是，他們還發(fā)現(xiàn)，可以基于這些機制對超結構的斷裂行為進行任意編程設計，以適應不同的應用需求。例如，有些應用更側重于控制裂紋的初始階段，而一些應用則可能更關注裂紋擴展的過程。
“通過靈活組合這些機制可以在不同力學場景實現(xiàn)最佳的阻裂效果，從而為各種工程應用提供量身定制的解決方案。這種可編程化的斷裂設計能力，能夠精確控制裂紋擴展行為，優(yōu)化材料與結構的斷裂性能，以滿足特定應用的定制化需求。”高振洋說。
研究人員在研究中展示了超結構的奇異特性，甚至可以讓超結構斷裂出一個特定的字母或圖案，比如“SJTU”。
AI 不僅能理解超結構，還有望設計超結構
該技術為超結構的斷裂問題提供了新的解決方案，并在汽車的撞擊斷裂、飛機結構的安全，以及機器人的輕量防護設計等領域表現(xiàn)出應用潛力。
將該技術整合到新一代汽車與無人飛行器中，可以在發(fā)生碰撞時降低關鍵部位的損害。通過裂紋偏轉和智能防護措施，有望顯著增強車輛或飛行器結構的可靠性，為乘客安全提供保障。
另一方面，這一技術還有望促進衛(wèi)星安全、有序地重返大氣層，并降低對地面的潛在威脅。
具體而言，在衛(wèi)星返回地球的過程中，可基于精確的裂紋控制技術，引導衛(wèi)星按預定的方式解體，使超結構的裂紋擴展得更細碎，從而易于在大氣層中燃燒殆盡。
需要了解的是，在增材制造領域，復雜的設計并不會顯著增加成本，因此，超結構極有可能逐步取代傳統(tǒng)結構。
“目前衛(wèi)星結構已經(jīng)開始采用超結構作為其填充物，但在航空和民用領域由于可靠性因素限制而應用緩慢。我們的研究突破了這一局限，我認為超結構有望在未來十年內(nèi)在更多領域落地應用。”王洪澤說。
圖丨可編程超結構效果圖（來源：王洪澤、吳一）
特種材料研究團隊的主要研究方向為激光增材制造和激光焊接/激光熔覆/修復，其中，高振洋的博士階段致力于結構設計方向的研究。
此前，特種材料研究所主要聚焦于鋁合金 3D 打印技術，成功利用粉末制造高強度鋁合金。隨著增材制造技術的發(fā)展，他們的研究范圍也隨之擴展，以適應新時代對材料和結構的新要求。
在 AI 的助力下，增材制造的研究不僅限于結構設計，還涵蓋了激光與粉末的相互作用、材料成分設計以及實時監(jiān)控等多個層面。AI 的應用加速揭示了增材制造過程中的未知機制，使整個流程優(yōu)化，向實現(xiàn)智能化制造發(fā)展。
“這項研究貫穿了我的整個博士階段，完成這項研究既有艱辛也有成就感。特別是研究期間還經(jīng)歷了新冠疫情，這反而推動了我們更專注于 AI 模型訓練，并實現(xiàn)了一系列優(yōu)異的效果�！备哒裱蟊硎�。
該課題組希望通過整合 AI 技術，使材料設計更智能化。他們不止步于讓 AI 理解超結構，還希望它能理解人類的交互，并利用生成式 AI 進行設計，這也意味著傳統(tǒng)設計方法正在向智能化設計轉變。
未來，研究人員計劃將超結構設計推廣到更廣泛的大眾用戶群體�，F(xiàn)在，他們正在開發(fā)一種新型軟件設計系統(tǒng)，用戶只需輸入一句話，就能快速生成符合特定需求的復雜結構設計，例如定制化設計鞋底等。
“這項工作不僅具有實際應用價值，也為未來的材料設計開辟了新的可能性�！蓖鹾闈杀硎尽�
參考資料：
1.Gao, Z., Zhang, X., Wu, Y. et al. Damage-programmable design of metamaterials achieving crack-resisting mechanisms seen in nature. Nature Communications 15, 7373 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-51757-0
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